補連塔煤礦7 m大采高工作面粉塵分布規(guī)律實測及防治技術研究

崔向飛 薛 嬌 邊文輝

(山東科技大學礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東省青島市，266590)

補連塔煤礦7 m大采高工作面粉塵分布規(guī)律實測及防治技術研究

崔向飛 薛 嬌 邊文輝

(山東科技大學礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東省青島市，266590)

為了找到適用于大采高綜采工作面的防塵技術手段，以神東補連塔煤礦22306大采高工作面為例，提出了大采高綜采工作面除塵技術的設計準則，并以此為基礎，對大采高綜采工作面防塵技術措施進行了設計改造。通過現(xiàn)場實測的方法對設計改造的防塵技術措施進行了驗證，提出的大采高防塵技術設計準則有較強的實用性，設計的防塵技術措施能夠有效治理大采高綜采工作面的高濃度粉塵。

大采高工作面 防塵技術 粉塵分布規(guī)律 除塵系統(tǒng)

AbstractIn order to find dust mitigation method for large mining height fully mechanized work face, taking 22306 work face of Bulianta Mine as example, proposed design standards for dust treatment at large mining height fully mechanized work face, and based on that, improved dust treatment measures. Modified method by in-situ test of dust control technology measures were verified that the design standards for dust treatment at large mining height fully mechanized work face had practicability and the designed dust treatment measures could effectively reduce high-concentrated dust at large mining height fully work face.

Keywordslarge mining height work face, dust treatment technology, dust distribution law, dust removing system

大采高綜采是使用與采高相同的綜采支架和配套設備開采整層厚度大于或等于3500 mm煤層的方法，具有高產、高效、低耗、勞動強度小和技術經(jīng)濟效益好等優(yōu)點。但是由于設備的重型化和設備尺寸的增大，導致工作面粉塵產生量增加。根據(jù)測定，在沒有使用防塵措施的情況下，大采高綜采工作面的粉塵濃度高達3000～5000 mg/m3，割煤和移架時的瞬時原始總粉塵濃度超過10000 mg/m3，即便采取多種措施，工作面的粉塵濃度依然遠遠超過了國家標準，影響安全生產。

補連塔煤礦 22306 工作面是典型的 7 m大采高綜采工作面，煤層傾角為1°～3°，煤層平均厚度為7.25 m，設計采高為6.8 m。采用U型負壓通風方式。工作面配風量為2405 m3/min，風速為1.21 m/s。通過實測分析其風流分布特征和產塵的濃度分布特征，總結出大采高綜采工作面的風流—粉塵分布規(guī)律，在此基礎上對包括采煤機噴霧、液壓支架噴霧及防塵網(wǎng)在內的大采高綜采工作面防塵技術措施進行設計改造。

1 大采高綜采面采測點確定

在工作面的人行道、中心工作面和煤壁附近處對全斷面(橫向)的風速和粉塵濃度進行測定分析，上部空間測塵點距離底板1.7 m，下部空間測塵點距離底面1.2 m，測點布置如圖1所示。

1-煤壁側上部空間；2-中心工作面上部空間；3-煤壁側下部空間；4-中心工作面下部空間；5-人行道上部空間；6-人行道下部空間圖1 全斷面測點布置情況

1.1 風速測點縱向布置

井下風流的流動過程中，受采煤機及其滾筒、液壓支架和護幫板的干擾，風流狀態(tài)會發(fā)生相應的變化，因此，風流測點的選擇應當以采煤機為過渡，分別對采煤機所處區(qū)域及其上風側和下風側區(qū)域內的風速進行測定。22306工作面的風流測點布置在采煤機前方(前部滾筒上風側9 m處)、采煤機前部滾筒、采煤機前壁面、采煤機中部、采煤機后壁面、采煤機后部滾筒(后部滾筒下風側9 m處)和采煤機下風側區(qū)域。

1.2 粉塵濃度測點縱向布置

考慮粉塵產生源在空間和時間上的擴散以及工人接觸粉塵情況，為了全方位把握粉塵濃度的分布情況，在工作面的人行道、中心工作面和煤壁附近處每隔30 m對全斷面的粉塵濃度分布情況進行測定。

2 大采高綜采面風流分布特性實測分析

按照上述風速測定位置，在22306綜采工作面現(xiàn)場測定了風流速度情況，如表1和圖2所示。

表1 風流速度分布情況 m/s

圖2 風流速度分布情況

由表1和圖2可以看出，風流進入工作面后，由于全程受到液壓支架以及護幫板等的干擾，使得風流流速分布不均，整體上呈現(xiàn)中間大、四周小的規(guī)律；當風流接近采煤機時，風速發(fā)生明顯變化，由于受到采煤機及滾筒的阻擋，部分風流被分流到其他空間，致使人行道、中心工作面及煤壁上下空間內的風速均有不同程度的提高，風流繞過采煤機后，由于采煤機的阻礙作用減弱，相當于巷道斷面有所擴大，使得各區(qū)域風速有所減小，總體趨于平穩(wěn)。

3 大采高綜采面粉塵濃度實測分析

按照粉塵濃度的測點布置位置，在22306綜采工作面現(xiàn)場測定了粉塵濃度的分布情況，如表2和圖3所示。

表2 割煤時粉塵的濃度分布情況(按距進風巷距離) mg/m3

圖3 割煤時粉塵的濃度分布情況

由表2和圖3可以看出，由于人行道空間小，粉塵自然沉降慢，割煤使人行道空間的粉塵濃度上升約50 mg/m3；中心工作面和煤壁處粉塵濃度受割煤的影響比較大，在其后方產生最大峰值，中心工作面粉塵濃度上升約200 mg/m3，煤壁處粉塵濃度最大值達到了584.8 mg/m3，割煤后方粉塵濃度上升約400 mg/m3。移架對22306綜采面粉塵濃度有一定的影響，粉塵濃度上升約200 mg/m3。割煤時切眼下部空間粉塵濃度分布與上部空間相似，只是粉塵濃度沿風流的衰減稍小于上部空間。

4 大采高綜采面除塵系統(tǒng)設計原則及應用

4.1 大采高綜采面采煤機噴霧負壓二次降塵裝置設計

大采高綜采工作面采煤機滾筒截割產塵量大，是大采高綜采工作面的主要產塵源，采煤機機身附近粉塵濃度大，特別對下風側的影響極大。為了有效控制大采高綜采工作面采煤機滾筒處的粉塵，設計應用了采煤機負壓二次除塵裝置，此裝置是在噴霧除塵的基礎上，利用噴霧產生的負壓將采煤時分布在采煤機周圍的高濃度粉塵卷吸到除塵裝置的箱體中，實現(xiàn)采煤機機身附近的高效除塵。大采高綜采面采煤機噴霧負壓二次除塵裝置設計原則：

(1)采煤機機身噴霧應選用負壓二次降塵裝置，此裝置主要由噴霧箱體構成。

(2)采煤機負壓二次除塵裝置的設計安裝應以大采高綜采工作面的風流和粉塵分布規(guī)律和工作面的安裝條件為基礎，固定在采煤機的背風側。

(3)噴霧除塵及卷吸作用影響主要區(qū)域的風速不應超過工作面入口風速的0.5倍，且應確保形成的霧場覆蓋采煤機滾筒。

結合補連塔煤礦22306大采高綜采工作面的實際情況，采煤機負壓二次噴霧降塵裝置設計安裝在采煤機兩端頭電機箱外側，采用焊接方式安裝，設計4 個噴嘴，一字排開，從右往左，噴嘴依次呈向下25°、水平、向上16°、向上 25°。實現(xiàn)對滾筒的包裹。吸塵口為1個，根據(jù)現(xiàn)場情況，可使吸塵口朝上或朝下吸塵，具有負壓吸塵能力強、噴霧場可覆蓋整個滾筒的優(yōu)點，能夠達到控制產塵源，減小下風側粉塵濃度的效果。采煤機噴霧負壓二次降塵裝置如圖4所示。

圖4 采煤機噴霧負壓二次降塵裝置示意圖

4.2 大采高綜采面液壓支架除塵裝置設計

大采高綜采工作面移架時會導致人行道空間和中心工作面空間上部均出現(xiàn)粉塵濃度較高區(qū)域，此外移架產生的粉塵與采煤機割煤產生的粉塵在采煤機下風側疊加，導致大采高綜采工作面粉塵集中在空間的上部和靠近煤壁側。抑制移架時粉塵的重要措施是采用液壓支架噴霧。大采高綜采面液壓支架噴霧除塵裝置設計原則：

(1)大采高綜采工作面采用液壓支架架間噴霧應選用負壓二次降塵裝置，此裝置由固定裝置、噴霧裝置和吸塵除塵裝置三部分構成。

(2)液壓支架噴霧裝置應以大采高綜采工作面的風流和粉塵分布規(guī)律為設計基礎，安裝在大采高綜采工作面液壓支架上，且安裝形式和設計應綜合考慮選定安裝位置的安裝條件。

(3)大采高綜采工作面負壓二次除塵裝置作用區(qū)域的粉塵濃度應不低于50 mg/m3，風速不超過工作面入口風速的1.1倍。

(4)大采高綜采工作面負壓二次除塵裝置的吸風口可處于有人作業(yè)空間，但噴霧所形成的霧場不應覆蓋有人作業(yè)空間。

根據(jù)設計原則，補連塔煤礦22306工作面的液壓支架架間噴霧負壓二次降塵裝置的噴霧裝置由供水管和噴嘴組成，噴霧用水進入供水管后由安設在端頭的噴嘴噴出，從而在采煤工作面煤壁至液壓支架立柱間形成全斷面霧場，噴嘴數(shù)量為3個，3個噴嘴與水平方向夾角分別為0°、40°和80°。噴霧產生的引射風流將環(huán)境中的粉塵帶入除塵器側部的矩形(0.10 m×0.08 m)吸塵口，與除塵器內部的高霧化噴嘴噴出的霧場混合、凝結、沉降。實現(xiàn)大采高工作面的全斷面粉塵控制。液壓支架架間噴霧負壓二次降塵裝置布置情況如圖5所示。

圖5 液壓支架架間噴霧負壓二次降塵裝置布置圖

4.3 大采高綜采工作面防塵網(wǎng)設計

由于大采高工作面高濃度粉塵持續(xù)時間長，影響范圍大，僅僅依靠采煤機和液壓支架噴霧不能抑制整個工作面空間的粉塵，因此，為了進一步提高大采高綜采工作面的噴霧除塵效果，在工作面采用濕式防塵網(wǎng)技術，通過在濾網(wǎng)上產生水膜，增加粉塵與水接觸碰撞的機率，從而配合工作面噴霧進行有效的除塵降塵。大采高綜采面防塵網(wǎng)設計原則：

(1)應用于大采高綜采工作面的濕式卷簾防塵網(wǎng)由卷簾軸、濾網(wǎng)和水幕組成。

(2)用于擋塵簾的噴嘴適宜選擇霧化角大、耗水量小的噴嘴，安設方向應與風流方向呈45°的迎風角度。

(3)為了保證強度，應用于大采高工作面的防塵網(wǎng)應安裝在液壓支架上，卷簾軸采鋼管直徑不小于5 cm，濾網(wǎng)應選用輕質材料，濾網(wǎng)孔徑不大于3 mm。

(4)設計安裝應以大采高綜采工作面的風流和粉塵分布規(guī)律和工作面斷面大小為設計基礎，安裝在液壓支架上，且尺寸應與工作面的斷面尺寸相配合。

(5)濕式卷簾防塵網(wǎng)的寬度應為液壓支柱到采煤機橫向最短距離的0.4～0.7倍，高度應確保到地面最短距離大于采煤機機身的高度，但不超過采煤機機身高度1.5倍。

22306綜采工作面寬度9.8 m、凈高4.8 m，采用的濕式卷簾防塵網(wǎng)的尺寸為7000 mm×4000 mm，卷簾軸采用直徑為5 cm鋼管制作，由液壓馬達控制，濾網(wǎng)采用2 mm×2 mm篩網(wǎng)，水幕直接采用液壓支架間噴霧，噴頭方向調整為與風流方向呈45°的迎風角，防塵網(wǎng)底部與地面距離約為1 m。

考慮大采高綜采工作面粉塵濃度分布情況和現(xiàn)場通風效果，在22306綜采工作面安設3個濕式防塵網(wǎng)，分別在56#、96#、和146#液壓支架上進行架設。大采高綜采工作面濕式防塵網(wǎng)安設位置如圖6所示。

圖6 大采高綜采工作面濕式防塵網(wǎng)安設位置圖

5 大采高綜采工作面防塵效果分析

為檢驗大采高綜采工作面新型高效噴霧降塵裝置的降塵效果，在補連塔煤礦22306大采高綜采工作面司機處、移架、多工序、前部溜頭、破碎機、轉載機及回風巷處分別測定采用大采高防塵方法前后的粉塵濃度情況，通過對比分析，驗證降塵效果。防塵技術措施應用前后粉塵濃度測定結果如表3所示。

表3 防塵技術措施應用前后粉塵濃度測定結果 mg/m3

由表3可以看出，司機處粉塵濃度由207 mg/m3下降到26.7 mg/m3，降塵率為87.1%；移架粉塵濃度由586 mg/m3下降到61.0 mg/m3，降塵率為89.6%；多工序粉塵濃度由221 mg/m3下降到24.8 mg/m3，降塵率為88.8%；前部溜頭粉塵濃度由147 mg/m3下降到14.6 mg/m3，降塵率為90.1%；破碎機處粉塵濃度由117 mg/m3下降到15.4 mg/m3，降塵率為86.9%；轉載處粉塵濃度由123 mg/m3下降到15.7 mg/m3，降塵率為87.3%；回風巷粉塵濃度由87 mg/m3下降到8.9 mg/m3，降塵率為89.7%；采煤面全塵的平均降塵率達88.5%，呼吸性粉塵的平均降塵率達89.6%。

6 結論

以神東補連塔煤礦22306大采高工作面為例，實測分析了風流、粉塵濃度分布情況，總結出了大采高綜采工作面的風流—粉塵分布規(guī)律，以大采高工作面的實際工作環(huán)境為基礎，提出了以噴霧除塵為主要手段的大采高綜采工作面除塵技術設計準則，對包括采煤機噴霧、液壓支架噴霧及防塵網(wǎng)在內的大采高綜采工作面防塵技術措施進行了設計改造。并通過現(xiàn)場實測的方法對所設計改造的防塵技術措施進行了驗證，工作面各生產工序全塵和呼吸性粉塵平均降塵率達到88.5%和89.6%，工作面環(huán)境和安全程度得到了改善。

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(責任編輯 張艷華)

Studyondustdistributionmeasurementandcontroltechnologyof7-meterlargeminingheightworkfaceatBuliantaMine

Cui Xiangfei, Xue Jiao, Bian Wenhui

(State Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science & Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

TD714.4

A

國家自然科學基金重點項目(U12612022)

崔向飛，薛嬌，邊文輝. 補連塔煤礦7 m大采高工作面粉塵分布規(guī)律實測及防治技術研究[J].中國煤炭，2017,43(9)：116-120. Cui Xiangfei , Xue Jiao, Bian Wenhui. Study on dust distribution measurement and control technology of 7-meter large mining height work face at Bulianta Mine [J]. China Coal, 2017，43(9):116-120.

崔向飛(1987)，男，山東東營人，碩士，助教，主要從事礦井粉塵防治研究。